一种籽晶起始端抑制杂晶形成和长大的方法及模壳结构 【技术领域】
本发明涉及单晶高温合金的制备技术，特别提供了一种籽晶起始端抑制杂晶形成和长大的方法及模壳结构。
背景技术
为了得到单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单晶核，可以引入籽晶或自发形核，而后在晶核熔体界面上不断生长出单晶体。获得单一晶核的方法通常有两种，即选晶法和籽晶法。对于单晶高温合金来说，这两种方法各有优缺点，互相补充，不可偏废。选晶法无需繁琐的籽晶制备过程，而且成品率高，得到广泛的应用，它基于结晶择优生长原理而只能制取
取向单晶，可控制铸件的纵向与<001>的偏差在15°之内，但无法控制铸件的横向取向。采用籽晶法可以获得任何方向的单晶，该方法是将选晶器地和起始端换成籽晶。将籽晶安放在模壳的最底部与结晶器接触，并使其成为合金与结晶器接触的唯一部分；将具有一定过热度的合金熔体浇注入模壳，使籽晶部分熔化，然后将模壳由炉内向外抽拉使合金冷却，合金熔体从残余的晶体部分外延生长、凝固成三维取向与籽晶相同的单晶体。籽晶是具有所需取向的现成晶体，应由所铸合金，或者熔点比所铸合金高或相当的合金制成。
现有籽晶法生长单晶试棒模壳1的结构设计如图1所示，在图1的设计中，籽晶2的放入方式有：一种为预置籽晶2，也就是在制作蜡模时将籽晶2直接焊在蜡模上(图2-1)；一种为后装籽晶2，模壳1又分为装有刚玉管3(图2-2)和不装刚玉管3两种(图2-3)。在采用籽晶法生长单晶时，当籽晶2较高但熔化部分较少时，籽晶2和模壳1之间形成交角，虽说在籽晶2的起始端采用刚玉管3可以保证籽晶2与刚玉管3的紧密接触，但刚玉管3与模壳1之间容易形成夹角或台阶，按照晶体形核理论，在夹角或台阶处形核功最小，合金液易于在此形成核心并长大，破坏单晶的完整性。对于未预置籽晶2时，籽晶2与模壳1间隙过大，浇注时容易导致合金溶液沿缝隙流下，当流下的钢液较少时，在籽晶2的冷却下，容易在籽晶2与模壳1的间隙处形核并长大，从而引入杂晶；当沿缝隙处流下的合金熔体较多时，此时籽晶2与模壳1的间隙较大，摩擦较小，合金液容易将籽晶2托起，籽晶2与结晶器脱离，散热途径被切断，导致籽晶2全部熔化，失去籽晶的单晶形核核心的作用，造成籽晶生长失效。
【发明内容】
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种具有设计合理的籽晶生长起始端、能提高籽晶生长成功率的籽晶起始端抑制杂晶形成和长大的方法及模壳结构。
为了实现上述目的，本发明技术方案是：以籽晶法为基础，预置籽晶于模壳内，在起始端设一缩颈结构，抑制籽晶生长的起始端形成的杂晶，使合金熔体在籽晶的未熔化界面上以外延生长的方式长成单晶；
所述籽晶生长起始端抑制杂晶形成和生长的方法所用模壳结构，为预置籽晶的模壳结构，在模壳底部设一缩颈结构，于籽晶生长起始部位的上方；
所述颈缩部分的颈口尺寸相当于籽晶直径的80％～100％；所述缩颈结构在模壳上的位置设于模壳下部籽晶上方的10～15mm处。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明是将以往的籽晶法起始端设计与缩颈选晶器的设计结合起来，在起始端设一缩颈结构，从而这样既可以对单晶生长的起始过程出现的杂晶进行抑制和排除，又可以保证获得所需的晶体取向，提高单晶生长的成功率。
【附图说明】
图1为现有技术中的籽晶法模壳结构。
图2-1为现有技术中预埋籽晶的模壳结构。
图2-2为现有技术中带有刚玉管的模壳结构。
图2-3为现有技术中的籽晶法模壳结构。
图3为本发明籽晶生长的起始端抑制杂晶形成和生长的方法所用模壳结构。
图4为本发明一个实施例籽晶法选晶的起始端组织。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
本发明籽晶生长的起始端抑制杂晶形成和生长的方法，是以籽晶法为基础，在起始端设一缩颈结构，并采用预置籽晶的方法置入籽晶，抑制在籽晶生长起始端杂晶的形成和长大，使合金熔体在籽晶的未熔化界面上一外延生长的方式长成单晶。
如图3所示，所述籽晶生长的起始端抑制杂晶形成和生长的方法所用模壳结构，为预置籽晶2的模壳1结构，在模壳1底部籽晶生长起始部位的上方设一缩颈结构，保证籽晶2与模壳1的紧密接触并对起始端可能生成的杂晶进行抑制，使籽晶生长的起始处形成一个能促使在晶核熔体界面上不断生长出单晶体的区域。
其中：本实施例所述颈缩部分颈口尺寸与籽晶的直径相同(或略小于籽晶的直径，如取籽晶直径的80％)。所述缩颈结构在模壳1上的位置设于模壳1下部籽晶上方的10～15mm处(本实施例为籽晶上方的15mm处)。
就现有技术籽晶法生长单晶而言，它虽然可以获得取向精度较高的单晶，但成功率不高。这主要取决于单晶生长的起始过程，因为在起始过程完成了从籽晶到新生单晶的引晶过程，但是也往往在起始生长过程容易有杂晶的生成。所谓杂晶是指由籽晶以外其他结晶核心长大而成的晶粒，在单晶生长中要尽可能避免的。而在单晶的生长过程中，杂晶生长要有足够的时间和空间，即晶体的生长包括时间和空间两个方面的因素。时间因素主要由溶质的扩散速度决定，由晶体的择优取向和热流方向共同决定；空间因素则取决于枝晶的形态以及枝晶生长的空间，由晶粒中枝晶的相对位置以及铸件的几何形状决定。杂晶能否长大要看枝晶的相对位置能否够抑制住单晶的生长。在生长过程中，晶体生长的前端如果受阻，则杂晶就可能被淘汰。本发明的主要原理为：在籽晶生长的前断设置一缩颈部分，限制籽晶生长初始阶段在籽晶的外围形成的杂晶生长空间，抑制杂晶的生长，使之淘汰，从而保证籽晶作为单一晶粒生长。
本实施例取是一种无铼单晶高温合金DD98在工业用大型双区加热ZGD-2真空单晶炉中通过籽晶法生长单晶，其组织形貌如图4所示，其结果表明：采用本发明在籽晶生长的起始端形成的杂晶在通过缩颈处被成功的抑制和排除，保证了单晶合金的完整性，最终成功的生长出所需取向的单晶高温合金。